综述：智能冷库的能源需求侧管理、智能控制与可再生能源集成：系统综述与研究路线图

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Energy demand side management, intelligent control, and renewable integration for smart cold storage: A systematic review and research roadmap

　　

## 摘要

大规模安装冷链仓储设施（CSFs）以满足粮食安全、农产品和药品配送需求，由于其对电力和能源供应的高需求，已引起电力公用事业和电网规划者的关注。另一方面，可再生能源（RES）的大规模部署为利用绿色能源满足仓储设施的电力需求提供了机会。因此，考虑到冷链仓储设施的当前和未来电力需求，合理管理能源流和电力消耗至关重要。从能源需求角度出发，结合冷链仓储设施的当前利用情况，需要进行详细的文献综述和未来指导方针的制定。因此，本文及时报道了一篇具有批判性和详细性的综述论文。该综述论文主要探讨了现代冷链仓储设施的技术现状，需求侧管理（DSM）技术，例如通过预冷进行负荷转移，以及能够提高电网稳定性并在可再生能源并入过程中管理冷链仓储设施平稳运行的智能控制系统。现代冷链仓储设施的一个显著特征是其能够作为热电池运行，在提高运营灵活性的同时，平滑可再生能源供应的电力，以缓解可变可再生能源发电相关的间歇性问题。另一方面，冷链仓储设施的监控和控制是非常关键的方面，因此本文还讨论了先进的智能控制范式。本文探讨了2010年至2025年开展的研究工作和研究，涵盖与冷链仓储设施相关的技术以及它们如何与太阳能光伏、太阳能热、风能和生物质系统协同工作。本文还进行了比较分析，涵盖与冷链仓储设施相关的不同性能指标和度量标准，如性能系数（COP）、平准化能源成本（LCOE）、投资回收期和生命周期评估（LCA）。比较研究表明，混合系统在技术上是可行的，在经济上也是可行的。总体而言，本文认为将冷链仓储设施从被动的能源使用者转变为主动、灵活的电网组成部分不仅是可行的，也是迈向更清洁、更稳健能源系统的关键进步。与现有综述不同，本工作为冷链仓储能源管理提供了统一的技术经济一体化与人工智能整合框架，重点聚焦新兴市场。

## 引言

鉴于粮食安全、农产品和健康——特别是药品方面的重要性，冷链设施中的能源转型已成为运营商的主要关注焦点。冷链是由一系列温度可控的存储、运输和分销过程组成的连续序列，旨在保持易腐产品的品质，同时支持全球贸易和经济增长。冷链仓储设施（CSFs）可将产后损失减少约23%–35%，使其成为粮食安全的关键组成部分。从图1中可以观察到，食品损失发生在供应链的多个阶段，这突显了高效冷链仓储系统的重要性[1]、[2]、[3]。此外，冷链仓储设施通过维持冷链完整性，确保温度敏感药品、疫苗和药品的安全存储和分销，保持药品功效，减少浪费，保护公众健康。有效的冷链基础设施通过减少存储和运输过程中的变质来提高食品的可获得性，同时使生产者能够以更少的经济损失进入更广泛的市场。这些效益不仅改善了农民的 livelihoods，还为更具韧性和可持续性的食品供应系统做出贡献，特别是在冷链基础设施不足的地区，那里仍然是食品浪费的主要原因[4]、[5]、[6]、[7]。考虑到冷链仓储设施在各个行业的潜在用途，冷链市场正随着电子商务、杂货配送和城市化需求的增长而急剧扩大。另一方面，冷链仓储设施的大规模部署也增加了电力行业的能源需求。冷链仓储设施每平方英尺的能耗约为普通商业建筑的4到5倍。年能耗最高可达每平方英尺60千瓦时，根据不同类型的设施和运营模式，储存产品约为每吨30到100千瓦时[8]。制冷过程本身占设施总能耗的70%–80%。能源需求的增加对电网造成了额外负担，可能造成电网压力并显著增加运营成本。因此，增加的电力需求可能通过需求侧管理和可再生能源整合的更好协调来满足。

传统冷链仓储设施是大型规模制冷系统，可将水果、蔬菜、海鲜和加工食品等易腐食品保鲜很长一段时间。这些系统在农业为重的国家或地区至关重要，它们可以减少市场价格波动和食品浪费，并确保全年食品的正常供应。然而，它们面临巨大的挑战，在当今世界使它们变得非常棘手[1]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。

传统冷链仓储设施仍然是高度依赖电力的设施，商业水果冷库每天每托盘的存储和处理操作消耗约7.62千瓦时。在非理想运行条件下，其能耗可增加高达30%。如图2中的理论情景所示，冷链仓储设施的能耗显著高于传统建筑。它们还对温室气体排放作出重大贡献，[15]中最近的研究报道指出，2024年八个商业冷链仓储设施的总排放量为32,225吨二氧化碳当量（tCO2e），主要原因是电力由碳密集型电网供应。补充这些设施层面的发现，联合国环境规划署（UNEP）报告称，低效的冷链可将易腐食品浪费增加高达30%，并导致全球约10亿吨二氧化碳当量排放，而不足的冷链基础设施使近4.7亿农民的收入减少高达15%，这凸显了可持续冷链仓储系统在环境和经济社会方面的重要性[16]、[17]、[18]。

尽管存在所有这些顾虑，传统冷链仓储设施仍然相关，对于农业和食品保存目的以及延长保质期以减少产后损失至关重要。此外，冷链仓储设施还有助于农民储存其生产的作物、水果和蔬菜，并在需要时供应，协助调节市场。这最终将导致更好的价格控制和食品供应，使生产者和消费者都受益。

现代技术的发展使得开发智能、高效和可靠的冷链仓储系统成为可能，解决了传统冷链仓储设施的主要问题，以便为农产品、药品和食品提供更好的保存。通过启用人工智能、物联网嵌入式传感器等先进数字技术，可以实现实时监测、控制和预测等智能功能。此外，高能耗的冷链仓储设施可将能源供应依赖从集中式化石燃料发电厂转向分布式可再生能源发电，如太阳能光伏、风力和其他清洁能源。这些技术有助于冷链仓储设施自行发电，减少对集中式电网的依赖，从而降低运营成本，并大幅减少二氧化碳排放[19]、[20]。尽管可变可再生能源在本质上是不可靠的，但它们可以通过现有的储能解决方案如电能存储和热能存储来补偿。这些储能技术已帮助太阳能可再生能源发电在冷链仓储系统中得到广泛采用。此外，从图3中可以看出，由于对可持续制冷解决方案的需求，太阳能冷链仓储市场的预计增长大幅增加。这些储能系统可以在发电高峰期存储过剩的能源供应，并在需要时使用，而热能存储系统可以在无需主动制冷的情况下保持适当温度超过12小时。智能能源需求管理可以帮助这些设施根据能源价格和其他电网条件自动调整能源消耗，以提高能源效率[19]、[21]、[22]。

因此，这些智能系统可以创造一种新的市场模式，在这种模式中，冷链仓储设施既可以消耗电力，也可以向电网提供能源相关服务。通过使用机器学习、预测算法和点对点能源交易整合，智能冷链仓储设施可能证明非常可持续且具有成本效益。这将显著促进电网的稳定性和效率。这种转型带来巨大的经济、环境和社会效益。可以建议，这些变革可以彻底改变传统的食品保存和能源供应行业[19]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。

冷链仓储系统中的可持续性通常通过环境、经济和社会三个支柱来框架化，这是可持续发展中广泛采用的概念化方式，尽管不同文献中对其实操化方式存在一些差异。在这一框架中，环境支柱侧重于减少资源消耗、污染和气候影响；经济支柱强调维持财务可行且高效运营；社会支柱则关注人类福祉、公平、健康和服务可靠性。可持续性并非将这些支柱独立对待，而是寻求在环境保护、经济表现和社会福利之间的权衡与协同中取得平衡。这种整合视角对于制冷和冷链仓储系统尤为相关，因为技术和运营决策同时影响温室气体排放、运营成本和提供可靠制冷服务的能力[28]、[29]。

商业冷链仓储设施在可持续性方面发挥着至关重要的作用，因为它们既是食品和医疗供应链的关键组成部分，同时又代表着具有高碳足迹的高能耗基础设施。在农食系统中，冷链保持易腐产品品质，维持食品质量和安全，减少导致粮食不安全的产后损失。它们还支持温度敏感、高价值商品的存储和运输，包括需要持续温控以保持产品完整性的药品和疫苗。然而，冷链仓储设施的大量电力需求使能源消耗成为其环境影响的主要贡献因素，同时也增加了运营成本。因此，通过智能控制、需求侧管理和可再生能源整合来提高冷链仓储设施的能源效率，不仅能减少温室气体排放，还能增强电网灵活性，并支持向可持续和韧性能源系统的转型[15]。

本文将对冷链、需求侧管理策略和可再生能源整合关系的相关文献进行全面和系统的综述。主要目标为：

（1）综合当前相关技术的现状；

（2）基于经济和环境标准提供系统性能的比较分析；

（3）批判性地评估现有挑战，识别关键研究空白并勾勒未来方向。

论文结构如下：

第2节：综述方法

第3节：现代冷链仓储技术现状

第4节：需求侧管理策略

第5节：先进智能控制范式

第6节：与可持续可再生能源的整合

第7节：比较分析和性能评估

本综述认为，通过整合需求侧管理、智能控制策略和可再生能源系统，冷链仓储设施可以从被动的能源消耗者演变为主动的、与电网交互的资产。这种转型在技术上是可行的，也是实现可持续和韧性冷链基础设施所必需的经济和环境关键进步。

## 章节片段

### 综述方法

本节讨论了综述方法，如图4所示，并在各子节中进行了说明。

### 现代冷链仓储技术现状

现代冷链仓储技术正从静态和高能耗结构演变为动态热系统，形成由关键和非关键基础设施组成的冷链系统。同样，了解制冷技术和热能管理原则对于释放其可持续性和电网灵活性潜力至关重要。此外，不同冷链仓储技术的能源特征和整合路径在图6中进行了说明。

### 冷链仓储的需求侧管理策略

需求侧管理（DSM）策略通过需求响应、负荷转移、削峰和智能控制来减少冷链仓储设施的电力消耗。这可以降低运营成本、碳排放和电网压力，同时保持所需的温度条件。表3概述了适用于冷链仓储系统的DSM策略。

### 先进智能控制范式

商业冷链仓储设施具有显著的热惯性和灵活的制冷负荷，使其成为需求侧管理和电网交互运行的理想候选对象。

然而，这种灵活性可以通过启用智能控制系统来实现，这些系统能够持续监控运行条件、预测热负荷需求，并在保持产品质量的前提下动态调度制冷负荷。因此，先进的控制范式如模型预测控制以及**与可持续可再生能源的集成**——集成现场可再生能源（RES）是需求侧管理（DSM）的互补支柱，对于打造真正可持续且韧性强的冷藏设施至关重要。通过自行发电，设施可以迈向能源独立，确保可预测的长期能源成本，并显著减少碳排放。图14展示了冷藏系统中多种可再生能源的集成方式。

**人工智能、物联网和区块链生态系统在冷藏设施（CSF）中的应用**——先进控制（利用AI）、变质检测（通过物联网）和可追溯性（借助区块链）技术并非冷藏设施管理的独立解决方案。这些技术的融合创造了一个协同的数据闭环：物联网传感器从冷藏设施监测设备获取细粒度的实时数据，AI算法处理这些流数据以获得预测性洞察，而区块链则确保数据完整性。

**人工智能在优化智能电网和冷链中的作用**

**对比分析与性能评估**——对集成式冷藏系统进行稳健评估需要多角度分析，涵盖技术性能、经济可行性和环境影响。本节根据文献中报告的关键指标，对这些系统进行对比评估。

**冷藏设施的可持续性成果：环境、经济和社会视角**——本节讨论冷藏设施（CSF）在碳减排、环境、经济和社会可持续性方面的影响评估。在此方面，图21展示了技术驱动的可持续智能冷藏框架。该框架运行于四个阶段：第一阶段在冷藏设施中引入先进技术，第二阶段由冷藏设施执行智能操作，第三阶段实施各种应用，第四阶段列出冷藏设施带来的可持续性成果。

**挑战、研究空白与未来方向**——尽管将需求侧管理和可再生能源集成到冷藏系统中具有令人信服的优势，但仍有若干障碍阻碍了广泛采用。与此同时，新兴技术和研究指向了一个前景光明的未来。

**结论**——本综述系统性地总结了将需求侧管理、可再生能源和先进智能技术集成到冷藏系统中的研究成果。分析证实了强大的协同效应：冷藏设施固有的热惯性使其特别适合采用智能可再生能源技术。然而，本综述也指出全球需求存在显著差异，将成熟市场所需的高科技优化与新兴市场的……

**关于生成式AI及AI辅助技术在写作过程中使用的声明**——作者声明，在撰写本手稿过程中使用了生成式AI工具，以协助改善英语语言质量、清晰度和整体结构组织，从而提升可读性和呈现效果。使用了少量AI生成的图片，仅用于对文中已讨论概念的高层次视觉呈现和信息图表式说明。这些图片仅用于支持概念理解和呈现。

**利益冲突声明**——作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。

Arpan Khan | Shailendra Singh | P. Padmagirisan | Arvind Kumar Jain | Naren Das

印度特里普拉邦阿加尔塔拉的阿加尔塔拉国家理工學院，电气工程系